Капиллярно-пористая структура литейных форм. НИР_2,2. Реферат Капиллярнопористая структура литейных форм
 Скачать 3.63 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» Кафедра «Научно-исследовательская работа» РЕФЕРАТ «Капиллярно-пористая структура литейных форм» по дисциплине (специализации) «Теоретические основы литейного производства» (наименование дисциплины) Проверил, профессор Л.Г.Знаменский И.О. Ф. ______________________2021 г. Автор работы (проекта) студент группы ПЗ-337 И.О. Ф. ____________________2021 г. Реферат защищен с оценкой (прописью, цифрой) __________________________ ____________________2021 г. Челябинск 2021 Содержание Капиллярно-пористая структура литейных форм (Андреевских И.В)
Структура литейных форм, исследование их физико-механических свойств Технологические свойства формовочных смесей, их изучение и влияние на качество отливок Введение Литейное производство - один из старейших и до настоящего времени основных способов получения металлических изделий и заготовок для различных отраслей промышленности. Литые детали используются не только в машиностроении и приборостроении, они применяются в домостроении и дорожном строительстве, являются предметами быта и культуры. Данный способ позволяет получать заготовки и детали из разных сплавов практически любой конфигурации, с любыми структурой, макро- и микрогеометрией поверхности, массой от нескольких граммов до сотен тонн, с любыми эксплуатационными свойствами. Литьем можно получить крошечные отливки деталей приборов весом в несколько граммов и огромные изделия, весящие сотни тонн. С помощью литья обрабатывается более половины (по весу) всех деталей машин. Понятием капиллярные системы объединяют капиллярно-пористые тела, мембраны, образованные в результате упаковки порошков и зерен, капиллярные блоки, горные породы, почвы и другие связнодисперсные системы, характеризующиеся твердым каркасом, пронизанным системой открытых пор, заполненных (частично или целиком) раствором электролита. Эти поры произвольной формы и структуры мы будем называть капиллярами.
 Рис. 1 Эскиз литейной формы для отливки.Литейные формы различаются: 1) сроком службы (разовые, многократные); 2) состоянием перед заливкой (сухие, подсушенные, сырые, химически твердеющие, самотвердеющие); 3) технологией изготовления (вручную, на машинах, по выплавляемым моделям и др.); 4) способом удаления из них отливки (разъемные, неразъемные). В зависимости от материала литейные формы подразделяют на песчаные, керамические, песчано-цементные, гипсовые. Разовые формы изготавливают из песчано-глинистых, песчано-смоляных формовочных смесей. Служат для получения только одной отливки, после заливки разовую форму разрушают для освобождения затвердевшей отливки. Разовые формы бывают: - разъёмными, состоящими из верхней и нижней половинок (полуформ), - неразъемными, к неразъёмным относятся формы, изготовленные по выплавляемым моделям, оболочковые формы и др. Многократные разъемные формы изготавливают из шамота, асбеста, алебастра, цемента и других огнеупорных материалов. Выдерживают от 10 до 1000 заливок. После заливки многократную форму раскрывают, не разрушая её, извлекают отливку, и снова собирают для очередной заливки. К многократным разъёмным формам относятся и кокили – металлические формы из чугуна, стали, медных сплавов и алюминиевых сплавов. Из-за высокой стоимости кокили используют только в серийном и массовом производстве отливок.  В литейном производстве роль основного инструмента для изготовления отливок выполняет литейная форма. Она представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка. Для подвода расплава в рабочую полость формы используют литниковую систему, состоящую из каналов и элементов литейной формы, обеспечивающих ее заполнение, а также питание отливок при затвердевании.  Рисунок 1. Литниковая система Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчано-глинистых смесей и др.), так и из металлов. Однако для одного вида неметаллических форм — неразъемных оболочковых, получаемых по выплавляемым моделям, можно назвать свыше 10 разновидностей, существенно различающихся составом, структурой, способами изготовления и назначением. Многообразие современных литейных форм (при правильном выборе их разновидности для каждого конкретного случая) открывает возможность экономично, в соответствии с требованиями к качеству, изготовлять различные по массе, конфигурации, точности и свойствам металла отливки практически из любых сплавов. Наиболее распространены в мировой практике литейного производства изготовленные из различных составов и различными способами песчаные формы, предназначенные для заливки под действием гравитационных сил свободно падающей струей расплава. В нашей стране в песчаных формах изготовляют около 80% всех отливок, как мелких и средних по массе, так и наиболее крупных, многотонных.  Распространенность способа литья в песчаные формы связана с его дешевизной, применимостью для изготовления отливок из различных сплавов — легких и тяжелых, цветных, чугунов и сталей, а также со сравнительно невысокими затратами на оснастку и приспособления. Следует отметить также, что процесс литья в песчаные формы непрерывно совершенствуется, в нем широко используют достижения химии и других смежных отраслей техники, средства механизации и автоматизации производственных операций, чем обеспечивается повышение качества отливок и технико-экономических показателей производства. Изготовление отливок в разовых песчаных формах наряду со многими достоинствами обладает и рядом недостатков. Для получения каждой отливки необходимо выполнить ряд трудоемких даже в условиях механизированного производства операций: приготовить формовочные и стержневые смеси, изготовить формы и стержни, собрать их и подготовить к заливке, выдержать отливки в медленно охлаждающейся песчаной форме, выбить их и очистить от формовочной и стержневой смеси, переработать бывшие в употреблении смеси для их повторного использования. При заливке песчаных форм расплавом и охлаждении в них отливок происходят процессы испарения влаги и выгорания связующих, при формовке и выбивке отливок неизбежно образование пыли, что вызывает необходимость соблюдения специальных мер по технике безопасности и охране окружающей среды.  К недостаткам песчаных форм относится их значительная подверженность силовому, тепловому и химическому воздействию заливаемого расплава, нередко приводящая к снижению размерной точности отливок и образованию на их поверхности трудноудаляемой корки пригара, состоящей из приварившегося формовочного материала и продуктов его взаимодействия с расплавом. Применение усовершенствованных процессов изготовления песчаных форм, например с использованием химически твердеющих смесей, вакуумно-пленочной формовки, литья по газифицируемым моделям, обеспечивающих повышение размерной точности отливок, в сочетании с окраской рабочих поверхностей форм и стержней противопригарными составами, позволяет значительно повысить качество отливок. Используют специальные способы литья и для получения деталей с особыми свойствами, например с повышенной плотностью и прочностью металла (литье с противодавлением, жидкая штамповка и др.), с направленной и монокристаллической структурой, с высокими магнитными свойствами (литье постоянных магнитов, в керамические формы). Как правило, при использовании специальных способов литья улучшаются условия труда рабочих.  В настоящее время получили распространение и эффективно используются для изготовления ряда деталей, преимущественно специального назначения, способы заливки форм, позволяющие получить отливки с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами (например, высокой прочностью, пластичностью металла, герметичностью). В большинстве случаев эти методы не являются универсальными и используются для получения отливок ограниченной номенклатуры из определенной группы сплавов. К таким методам относятся жидкая штамповка, литье-штамповка («автофордж-процесс»), литье вакуумным всасыванием и вакуумно-компрессионное литье, заливка погружением форм в расплав, литье в гипсовые формы, непрерывное и полунепрерывное литье, электрошлаковое литье, литье с направленно-последовательной кристаллизацией и выжиманием, литье в замороженные формы. Многообразие литейных процессов и используемых в них литейных форм, когда к качеству отливок и экономичности способов их получения предъявляют весьма высокие требования, является вполне оправданным. Оно определяет универсальность литейной технологии, недостижимую при использовании других процессов получения деталей машин и приборов, возможность применения процессов литья для решения многих сложных задач, возникающих при создании современной техники. Однако, чтобы эффективно использовать литейную технологию, необходимо знать особенности, возможности, достоинства и недостатки ее многообразных технических средств, уметь выбрать среди них наиболее рациональный вариант технологического процесса для получения каждой конкретной литой детали.
 Рис. Литейная форма в сборе
В массивных частях отливки могут возникнуть дефекты усадочного происхождения — поры, раковины, которые снижают ее прочность. Такие дефекты предупреждают использованием прибыли — элемента литниковой системы в виде полости, заполняемой жидким металлом для питания отливки в процессе ее затвердевания. С этой же целью применяют металлические холодильники, которые устанавливают в форму около массивных частей отливки. Литейный стержень — элемент литейной формы, предназначенный для образования отверстий, полостей или других сложных контуров в отливке. Стержни в форме фиксируют на знаках — выступах, входящих в соответствующие впадины рабочей полости. Дополнительными опорами стержней являются металлические подставки (жеребейки) различной конструкции и конфигурации, которые сплавляются с заливаемым в форму жидким металлом. Литейные сплавы.Для изготовления отливок используют специальные литейные сплавы, которые должны обладать высокими литейными, механическими и эксплуатационными свойствами; по возможности состав сплавадолжен содержать минимальное количество дорогостоящих компонентов; свойства и структура сплава не должны изменяться в процессе эксплуатации готовой детали и т.д. В промышленной классификации литейные сплавы делятся на чёрные и цветные. К чёрным сплавам относят, стали и чугуны, цветные делятся на тяжёлые – плотностью более 5000кг/м3 (медные, цинковые, никелевые и др.) и лёгкие – плотностью менее 5000кг/м3 (литейные, магниевые, титановые, алюм Литейные свойства сплавов. Наиболее важные технологические литейные свойства– жидкотекучесть, усадка (объёмная и линейная), склонность сплава к ликвации, образованию горячих и холодных трещин, поглощению газов образованию газовой и усадочной пористости. Жидкотекучесть сплава зависит от его природы (химического состава) и физических свойств (вязкости и поверхностного натяжения). Наибольшей жидкотекучестью обладают чистые металлы и сплавы эвтектического состава, а также сплавы с узким интервалом кристаллизации (Δt < 30оС). Например, высокая жидкотекучесть – силумины, серый чугун. Низкая – магниевые сплавы и сталь.иниевые). Жидкотекучесть сплавов определяют путём заливки специальных технологических проб. Наибольшее распространение получила спиральная технологическая проба (рис.6). Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъёма пробки металл плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах. Усадка– свойства литейных сплавов уменьшать объём при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы в отливках протекают с момента заливки расплавленного металла в литейную форму вплоть до полного охлаждения отливки. Различают объёмную и линейную усадку. Линейная усадка – уменьшение линейных размеров отливки при её охлаждении от температуры, при которой образуется прочная корка, способная противостоять давлению расплавленного металла, до температуры окружающей среды. На линейную усадку влияют химический состав сплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, конструкция отливки и литейной формы. Объёмная усадка – уменьшение объёма сплава при его охлаждении в литейной форме при формировании отливки. Объёмная усадка приблизительно равна утроенной линейной усадке. Усадка в отливках проявляется в виде усадочных раковин, пористости, трещини короблений. Усадочная раковина – дефект в виде скрытой или открытой полости. Усадочные раковины сравнительно крупные полости, расположенные в местах отливки, затвердевающих последними (рис.7, а). Сначала около стенок литейной формы образуется корка 1 твёрдого металла. Уровень металла в незатвердевшей части отливки понижается до уровня а – а. На корке 1 нарастает новый твёрдый слой 2, а уровень жидкости опять понижается до уровня б – б. Снижение уровня расплава при затвердевании приводит к образованию сосредоточенной усадочной раковины 3.   Усадочная пористость – дефект, представляющий собой мелкие поры (рис. 7, б и рис. 8). Вблизи температуры солидуса кристаллы срастаются друг с другом. Это приводит к разобщению ячеек 2, заключающих в себе остатки жидкой фазы 3. Затвердевание небольшого объёма металла в такой ячейке происходит без доступа к ней питающего расплава из соседних ячеек. В результате усадки в каждой ячейке получается небольшая усадочная раковина 1. Множество таких межзёренных микроусадочных раковин образует пористость, которая располагается по граница зёрен металла. Вероятность формирования усадочных раковин или усадочной пористости главным образом зависит от температурного интервала кристаллизации сплавов. Ликвация – неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки. Она возникает в процессе затвердевания отливки из-за различной растворимости отдельных компонентов сплава в твёрдой и жидкой фазах. Например, в сталях и чугунах заметно ликвируют сера, фосфор, кислород и углерод. Ликвация вызывает неоднородность механических свойств в различных частях отливки. Различают дендритную и зональную ликвацию. Горячие трещины – дефект в виде разрыва или надрыва усадочного происхождения, возникающего в теле отливки в температурном интервале хрупкости, когда имеются жидкие фазы по границам кристаллов (рис.9). Склонность к горячим трещинам зависит от природы сплава и состояния расплава перед заливкой. Наличие в расплаве примесей и неметаллических включений, расширяющих температурный интервал кристаллизации сплава, приводит к большой вероятности возникновения горячих трещин. Такими примесями являются газы (водород, азот, кислород), оксиды, нитриды, а также сера и др. увеличение зерна металлической матрицы усугубляет вероятность образования горячих трещин. Это наблюдается при значительном перегреве металла перед заливкой. Термические напряженияв отливке появляются из-за неравномерности распределения температур по толщине стенок отливки или между отдельными её частями. Характер термических напряжений различен: в массивных частях отливки имеют места растягивающие напряжения, в более тонких – сжимающие. Фазовые напряжения возникают в отливках вследствие выделения или исчезновения различных фаз или структур составляющих, имеющих удельный объём, отличающийся от удельного объёма основной матрицы. Холодные трещины возникают, когда отливки будут находиться в области упругих деформаций, при температурах значительно ниже температуры солидуса. Холодные трещины чаще всего образуются в тонкостенных отливках сложной конфигурации. Опасность появления холодных трещин возрастает при наличии в сплаве вредных примесей. С повышением упругих свойств сплава и его усадки при пониженных температурах вероятность образования холодных трещин увеличивается. Для предупреждения образованиявотливках холодных трещин необходимо: · обеспечивать равномерное охлаждение во всех сечениях использовать холодильники или малотеплопроводные смеси; · проводить отжиг отливок; · применять сплавы с повышенной пластичностью при изготовлении сложных отливок и т.д. Коробление – изменение формы и размеров отливки под влиянием литейных напряжений. Вероятность коробления возрастает при увеличении протяжённости отливки, усложнении её конфигурации, уменьшения толщины её стенок. Коробление может вызываться неправильным охлаждением отдельных частей отливки, сопротивлением усадки отдельных частей отливки со стороны литейной формы или же самой отливки. Для предупреждения коробления в отливке нужны мероприятия, которые применяются для предупреждения холодных трещин, следует предусматривать рёбра жёсткости в конструкционных тонкостенных литых деталей, увеличивать податливость формы, создавать рациональную конструкцию отливки и т. д. 
Основные механические свойства смесей, прочность, поверхностная прочность, пластичность, податливость. Прочность– способность смеси обеспечивать сохранность формы (стержня) без разрушения при ее изготовлении и пользовании. Формы (стержни) не должны разрушаться от толчков при сборке и транспортировке, выдерживать давление заливаемого металла. Стандартными характеристиками являются для сырых смесей – предел прочности при сжатии sсж, для сухих форм (после сушки) – предел прочности при растяжении sр. Для песчано-глинистых смесей sсж = 30...70кПа, sр= 80...200 кПа. Поверхностная прочность(осыпаемость) – сопротивление истирающему действию струи металла при его заливке. При недостаточной поверхностной прочности наблюдают осыпаемость, т.е. отделение частиц формовочной смеси, попадающих в отливку. Пластичность– способность смеси воспринимать очертания модели (стержневого ящика) и сохранять полученную форму. Податливость– способность смеси сокращаться в объеме под действием усадки сплава. При недостаточной податливости в отливке возникают напряжения, которые могут привести к образованию трещин. Технологические свойства смесейхарактеризуются их текучестью, термохимической устойчивостью, негигроскопичностью, выбиваемостью и долговечностью. Текучесть– способность смеси обтекать модели при формовке, заполнять полость стержневого ящика. Перемещение частиц формовочных смесей должно происходить при возможно минимальном усилии в процессе формовки и обеспечивать одинаковое уплотнение во всех частях формы (стержня) без рыхлых мест и пустот. Термохимическая устойчивость или непригораемость –способность смеси выдерживать высокую температуру заливаемого сплава без оплавления или химического с ним взаимодействия. Пленки пригара ухудшают качество поверхности и затсудняَт ооследуюшую обрааотку отливки. При оплавлении формовочной смеси резко снижается ее газопроницаемость. Негигроскопичность– способность смеси после сушки не поглощать влагу из воздуха в течение длительного времени. Выбиваемость– способность легко удаляться из форм и полостей отливок при их выбивке после охлаждения. Хорошую выбиваемость имеют смеси, в которых связующие вещества теряют прочность при нагреве после заливки сплава. Долговечность– способность смесей сохранять свои свойства при многократном использовании. Технологические свойства не могут быть выражены количественно, их оценивают по экспериментальным данным. Газопроницаемость– способность смесей пропускать газы через стенки формы вследствие пористости – одно из важнейших свойств формовочных смесей. В расплавленном металле всегда содержатся растворенные газы, выделяющиеся при его охлаждении и затвердевании. Большое количество водяных паров и газов выделяется также из самих формовочных материалов при их нагревании. При недостаточной газопроницаемости в теле отливки могут образовываться газовые пузыри - раковины. Для оценки формовочных смесей пользуются коэффициентом газопроницаемости К, который определяют экспериментально. Для песчано-глинистых смесей К = 30...120 единиц. Теплофизические свойства– теплопроводность, удельная теплоемкость – существенно влияют на скорость кристаллизации металла и его последующего охлаждения и тем самым на структуру и свойства отливок. Свойства песчано-глинистых смесей являются функцией многих параметров. Так, прочность и пластичность их увеличиваются с повышением содержания глины, зависят также от размеров и формы зерен песка, влажности и других факторов. Составы формовочных и стержневых смесей с требуемыми свойствами выбирают в зависимости от литейного сплава, массы и конфигурации отливок и других условий. изготавливаемых в песчаных формах, в значительной мере связано со свойствами формовочных и стержневых смесей: влажности, прочности и газопроницаемости. Под влажностью формовочной и стержневой смесей понимается содержание в ней воды, выраженное в процентах к массе смеси. Влажность смеси влияет на ее пластич-ность, прочность и газопроницаемость. Недостаточная влажность приводит к снижению пластичности, прочности и даже газопрони-цаемости. Рабочая влажность смесей находится в летнее время в пределах 4…7 %, а в зимнее – 4…5 %. Рис. 1.1. Принципиаль-ные зависимости газо-проницаемости К и про-чности на сжатие σсж смесей от их влажности W [1, с. 140] ависимость газопроницаемости К и прочности σсж от влажности песчано-глинистых смесей представлены на рис. 1.1.  При начальном увеличении влажности поры заполнены пылью и поэтому газопроницаемость низкая. Затем повышение газопроницае-мости до точки А объясняется тем, что при увеличении влажности вода способствует укрупнению пылевидных частиц, поры при этом увеличиваются. Кроме того, при смачивании каналов снижается трение проходящих газов. При влажности более высокой, чем в точке А, каналы постепенно заполняются водой, и газопроницаемость снижается. В общем случае максимумы газопроницаемости К и прочности на сжатие σсж смесей не совпадают и поэтому выбирают область оптимальных значений свойств ΔWр. Влияние влажности формовочных смесей на качество отливок1. Чрезмерная влажность вызывает повышенное выделение +газов и паров за счёт взаимодействия влажной формовочной смеси с горячим расплавленным металлом, при этом также снижается газо-проницаемость формовочной смеси, что в свою очередь приводит к возникновение различных дефектов в отливке. Типичные дефекты2 в отливках представлены на рис. 1.2. К ним относятся газовые раковины (рис. 1.2, а), ужимины (рис. 1.2, б) и горячие трещины (рис. 1.2, в), газовые раковины (рис. 1.2, г) и пригар (рис. 1.2, д).  Рис. 1.2. Дефекты в отливках: а – газовые раковины; б – ужимины; в – трещины; г – газовая пористость; д– пригар Влияние прочности формовочных смесей на качество отливок. Пониженная прочность смесей вызывает брак по засорам, песчаные раковины и ужимины, вызванные частичным разрушением формы при её сборке и заливке. Засоры возникают осыпавшейся формовоч-ной смесью, которая внедряется в поверхностный слой отливки. Ужимина – углубление в отливке, заполненное формовочным мате-риалом и покрытое слоем металла (рис. 1.2, б). Горячие трещины (рис. 1.2, в) чаще возникают при температурах близких к температуре солидуса из–за неподатливости формы благодаря высокой прочности смеси и в местах резких переходов от тонких частей отливок к толстым. Песчаные раковины – открытые или закрытые пустоты в теле отливки, которые возникают из-за низкой прочности формы и стержней, слабого уплотнения формы и других причин. +Влияние газопроницаемости формовочных смесей на качество отливок. При недостаточной газопроницаемости формы в отливках также появляются газовая пористость, ужимины, газовая шероховатость и раковины. Газовая пористость (рис. 1.2, г) – мелкие поры, распределённые в теле отливки и образовавшиеся в результате выделения газов при затвердевании металла. Газовая шероховатость – сферообразные углубления на поверхности отливки, возникающие вследствие роста газовых раковин на поверхности раздела металл – форма. Пригар (рис. 1.2, д) представляет собой трудно отделяемый слой (корку) формовочной или стержневой смеси, прочно удержи-ваемый на поверхности отливки и резко ухудшающий качество её поверхности. В литейных цехах контроль качества формовочных и стержне-вых смесей обычно сводится к определению влажности, газопро-ницаемости, предела прочности на сжатие сырых и на растяжение сухих образцов. |